孫志峰，陳洪海，陶愛華

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149）

多功能超聲波成像測井儀應用效果評價

孫志峰，陳洪海，陶愛華

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149）

多功能超聲成像測井儀采用超聲脈沖反射法進行套損及水泥膠結(jié)質(zhì)量評價。對該儀器實測的波形進行分析，波形信噪比良好，首波為套管內(nèi)壁的反射波，隨后到達的為套管共振波，波形頻譜曲線具有明顯的譜陷特征。利用井眼內(nèi)壁反射波的幅度及到時曲線可實現(xiàn)井眼內(nèi)壁高分辨率成像；利用套管共振波的共振頻率及幅度衰減可分別計算套管厚度及套管后面材料的水泥聲阻抗?，F(xiàn)場實測的裸眼井資料表明，該儀器可獲取井壁表面裂縫、層理、孔洞等地質(zhì)構(gòu)造信息。處理現(xiàn)場實測的套管井資料表明，儀器可正確測量套管的壁厚，識別套損方位，同時還可以根據(jù)水泥聲阻抗的數(shù)值范圍確定一界面材料是氣體、液體還是固體成分。該儀器具有井眼內(nèi)壁成像、套損評價及水泥膠結(jié)質(zhì)量評價的功能。

超聲波反射法；內(nèi)壁成像；套損評價；水泥膠結(jié)；聲波測井

在油田開發(fā)進入中后期階段，通常采用注水的方法來穩(wěn)定油氣產(chǎn)量，但由于注水壓力與破裂壓力的不平衡很容易導致套管破損；且地層應力的各向異性[1]及井內(nèi)外液體的化學腐蝕等作用，也是影響套管變形、腐蝕的因素。因此套損檢測為油氣的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)起著重要作用。國外油田服務公司早已推出基于超聲脈沖反射法的測井儀器，如Halliburton公司的CAST-F儀器，采用不同頻率的超聲換能器，對不同型號的套管均可進行套損評價[2]。Schlumberger公司的Isolation Scanner儀器不但可以進行套損檢測，還可以針對一界面及二界面的水泥膠結(jié)質(zhì)量作定量評價[3]。

近幾年，國內(nèi)的科研單位在超聲波反射測井的測量理論、數(shù)值模擬方法、實驗室測量等方面[4-7]展開工作，但有關超聲波反射測井儀器開發(fā)及應用評價方面的研究鮮有報道。中國石油2004年推出了多參數(shù)超聲工程測井儀[8,9]，該儀器可評價套損及水泥膠結(jié)質(zhì)量，但未見該儀器更多現(xiàn)場實際應用的報道。中海油田服務股份有限公司于2009年推出ECBI井周聲波成像測井儀[10]，該儀器可在裸眼井中旋轉(zhuǎn)掃描，對井壁表面進行高分辨率成像，但無法實現(xiàn)套損評價及高分辨率水泥膠結(jié)質(zhì)量評價。中海油田服務股份有限公司于2011年自主研制出多功能超聲波成像測井儀（MUIL，Multifunctional Ultrasonic Imaging Logging Tool）[11]，該儀器不但可以對裸眼井進行掃描成像，而且還可以對套管厚度及水泥膠結(jié)情況作定量評價，現(xiàn)場實測資料初步證實該儀器的換能器特性、電子線路耐溫性及可靠性，波形處理方法，均達到了國外同類儀器的水平。

本文首先介紹超聲脈沖反射法測量原理，對MUIL儀器實測的波形進行分析。然后對MUIL儀器現(xiàn)場實測裸眼井及套管井資料進行處理，分別從裸眼井井壁成像、套管厚度評價及水泥膠結(jié)質(zhì)量評價幾個方面進行分析，說明該儀器具有實現(xiàn)上述功能的能力。

1 超聲波成像測井原理

超聲脈沖反射法測量時，發(fā)射換能器為自發(fā)自收探頭，首先對發(fā)射探頭激勵一個超聲波脈沖信號。聲波脈沖信號在流體中傳播然后入射到套管內(nèi)。其中大部分聲波能量反射回來被換能器接收。剩余的聲波能量進入套管，聲波信號在套管與水泥環(huán)和套管與地層表面之間進行多次的反射。在每個表面，都會有一些能量被反射，一些能量透射出去，能量的大小是由兩種材料聲阻抗的差異決定的。由于套管的聲阻抗和流體的聲阻抗為常數(shù)，所以套管內(nèi)的信號是以一定的速率衰減，信號的大小依賴于套管外面材料的聲阻抗。套管外面材料的聲阻抗越大，套管內(nèi)的共振波幅度越?。环粗?，套管外面材料的聲阻抗越小，套管內(nèi)的共振波幅度越大。利用套管共振波幅度的強弱可以評價套管外面材料的聲阻抗大小，進而對套管外水泥膠結(jié)質(zhì)量進行評價。同時，利用套管共振波及聲波在套管中的縱波傳播速度可以評價套管厚度。

MUIL儀器采用了超聲脈沖反射法的測量原理，圖1為MUIL儀器的測井示意圖，測量時儀器位于充滿泥漿液體的套管中，依靠扶正器的作用盡量保證儀器居中，最外層為無限大地層，地層與套管之間為水泥環(huán)。通過儀器掃旋轉(zhuǎn)上升不斷采集沿井眼縱向和徑向大量井壁介質(zhì)信息，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到套管厚度及水泥膠結(jié)狀況等信息。

圖1 MUIL儀器測量原理示意圖

圖2為MUIL儀器探頭發(fā)射一次超聲脈沖信號現(xiàn)場采集的波形及其頻譜圖。由圖可見，依次到達接收探頭的分別是套管內(nèi)壁的反射波、套管的共振波及套管內(nèi)壁的二次反射波。波形的頻譜曲線有明顯的譜陷特征，且譜陷對應的頻率即為套管的共振頻率。

圖3為MUIL儀器在某套管井某深度處掃描一周記錄的波形，探頭掃描一周共采集60道波形。由圖可見，該儀器一周采集的波形與圖2中單道波形形態(tài)相似，波形信噪比良好，換能器依次接收到同樣為套管內(nèi)壁的反射波、套管的共振波、及套管內(nèi)壁的二次反射波。每道波形首波的到時有明顯差異，原因是測井過程中，雖然扶正器對儀器的居中起到一定的作用，但是仍不能消除儀器偏心的影響，所以對成果圖像進行偏心校正是必不可少的。

圖2 實測波形及其頻譜圖

圖3 儀器掃描一周記錄的波形

對圖3中的每道波形分別進行頻譜分析得到其頻譜曲線，如圖4所示。由圖可見，每道頻譜曲線中譜陷對應的頻率略有差異，且峰值的幅度也不盡相同。這是由于套管一周各個方向上的套管厚度及水泥膠結(jié)狀況不完全一致。對MUIL儀器掃描一周記錄的每道波形進行波形處理，就可以得到一周的套管厚度及該深度處的水泥膠結(jié)質(zhì)量信息；對整個測量井段的波形進行處理，就可以得到測量井段的套損情況及水泥膠結(jié)質(zhì)量狀況。

2 裸眼井成像測井

MUIL儀器裸眼井成像測井模式與傳統(tǒng)的井周聲波掃描成像測量原理基本一致，均采用高頻聚焦換能器向井壁發(fā)射超聲脈沖并接收其反射回波，同時換能器繞井軸360度旋轉(zhuǎn)掃描，進行高分辨率數(shù)據(jù)采集，利用記錄的回波信息對井壁進行成像，從而獲得井壁的地質(zhì)構(gòu)造信息?；夭ǚ鹊淖兓ǔ７从车氖堑貙勇曌杩沟牟町悾绲貙拥膸r性、層理、裂縫、孔洞等地質(zhì)構(gòu)造均有不同的回波響應。回波傳播時間的變化通常反映了井徑的變化，利用回波到時的差異可以實現(xiàn)高分辨率井徑成像。

圖5給出MUIL測井儀在某井測量的井壁成像成果曲線（測量井段為2 350～2 370 m）。圖中第三道為幅度成像曲線，第四道為旅行時成像曲線。由圖可見，該測量段包含了豐富的地質(zhì)構(gòu)造信息，其中2 350～2 356 m深度段的地層，反射波的幅度曲線和到時曲線與其他測量井段有明顯的差異，這反映了地層巖性的變化。整個測量段中幅度成像曲線中清晰可見若干條形狀規(guī)則、平緩的正弦波曲線，這是層界面的典型標志。在該井2 361 m深度處，幅度成像曲線中還可以觀察到類似于圓形狀的白色斑點，說明此處的回波幅度很弱，同時在到時曲線顯示為黑色斑點，說明回波的到時比較晚，這種地質(zhì)構(gòu)造特征是孔洞的表征。

3 套厚測量檢測

MUIL儀器在套管井進行套損評價時采用三種不同頻率的平面高頻換能器進行測量。探頭的中心頻率分別為250、350、450 kHz，每種頻率的換能器測量一定范圍內(nèi)的套管厚度，三種頻率探頭可以覆蓋總的套管厚度為5～16 mm，可以滿足油井不同厚度套管的測量需要。每種頻率的探頭分別對應幾種不同尺寸的探頭，用以滿足不同的套管內(nèi)徑尺寸的測量需要。

圖4 儀器掃描一周波形的頻譜曲線

圖5 MUIL儀器在某裸眼井測量的內(nèi)壁成像成果圖

圖6為該儀器在某實驗井測量的套管厚度成果圖，MUIL儀器可每旋轉(zhuǎn)一周采集60道波形，由于無法全部繪制，僅在圖中第三、第四、第五、第六道顯示了儀器在井周四個方位的測量原始波形曲線，第七道為處理后的套管最小厚度曲線、最大厚度曲線及平均厚度曲線，圖中第八道為處理得到的套管厚度成像圖。由圖可見，原始波形中首波為套管內(nèi)壁的反射波，幅度最強，隨后到達的為套管的共振波，幅度較弱，由于儀器偏心的影響，隨著深度的變化，首波的到時也不一致。圖中第八道的厚度成像曲線色標中，白色表示套管的標準厚度，綠色表示套管厚度變薄，且顏色越深表示腐蝕的越嚴重，藍色表示套管厚度變厚，且顏色越深表示套管厚度增加的越多。已知該井套管的標準厚度為11.99 mm，由套管厚度曲線可見，計算的套管平均厚度曲線與套管的標準厚度曲線基本一致。在1 353～1 358 m井段范圍內(nèi)，測量的套管最大厚度與最小厚度的差別在3 mm左右。在厚度成像曲線中也清晰可見某方位的套管壁厚變薄，說明有一定的腐蝕，而某部分的套管厚度略有增加，說明套管可能有污染，套管壁附著一定結(jié)垢導致厚度增加。

圖6 MUIL儀器在某實驗井實測波形及套管厚度測量結(jié)果

4 水泥膠結(jié)質(zhì)量評價

MUIL儀器在進行套損評價測量時，對測量到的套管共振波進行處理，就可以同時進行水泥膠結(jié)質(zhì)量評價。該儀器水泥膠結(jié)質(zhì)量評價原理是利用了套管后材料的聲阻抗數(shù)值的差異，由于氣體、液體、固體材料有不同的聲阻抗的差異，從而導致測量的套管共振波幅度也不同，進而可以計算套管后材料的聲阻抗。同時，該儀器具有很高的周向分辨率，測量時根據(jù)實際工程需要，可以選擇合適的周向采樣率，該儀器每周最少可以進行60次采集，最多可達到100次采集，所以儀器的周向分辨率最高為3.6度。

圖7為MUIL儀器在某井現(xiàn)場實測量水泥膠結(jié)質(zhì)量評價成果圖，圖中分別繪制了水泥聲阻抗成像曲線；最大聲阻抗曲線、最小聲阻抗曲線及平均聲阻抗曲線；氣體、液體、固體含量曲線等。由圖7（a）可見，平均聲阻抗曲線數(shù)值大約在1.7 M Rayls，由于純水的聲阻抗為1.5 M Rayls，所以該測量井段接近于自由套管，液體的質(zhì)量分數(shù)接近100%，而固體的接近0%。由圖7（b）可見，平均聲阻抗曲線數(shù)值大約在2.5 M Rayls，大于純水的聲阻抗而小于一般水泥的聲阻抗，所以絕大部分的測量井段為混漿段，水泥膠結(jié)質(zhì)量一般，液體、固體的質(zhì)量分數(shù)相當。同時由聲阻抗的成像圖可見，井周不同方位的水泥聲阻抗分布不均勻，某些方位處的聲阻抗數(shù)值較大，水泥膠結(jié)質(zhì)量很好，所以MUIL儀器測量的水泥膠結(jié)質(zhì)量有很好的周向分辨率。由圖7（c）可見，平均聲阻抗數(shù)值大約在3.8 M Rayls，由于一般水泥的聲阻抗大于3 M Rayls，所以該測量井段水泥膠結(jié)質(zhì)量良好，固體的質(zhì)量分數(shù)接近100%，而液體的接近0%。聲阻抗的成像圖表明，井周不同方位的水泥聲阻抗分布較為均勻。

圖7 MUIL儀器在某井測量的水泥膠結(jié)質(zhì)量評價成果圖

5 結(jié) 論

分析了多功能超聲波成像測井儀器在實際裸眼井及套管井中的實測效果。

該儀器采用超聲脈沖反射法測量套管內(nèi)壁的反射波及套管內(nèi)的共振波，利用反射波幅度及到時信息對井眼內(nèi)壁成像，利用共振波頻率特性評價套管外一界面水泥聲阻抗。

該儀器具有很高的周向分辨能力，這種優(yōu)勢在處理現(xiàn)場資料過程中得以體現(xiàn)。儀器采用一周最高為100次的超聲波脈沖進行數(shù)據(jù)采集，其測量的周向分辨率可達3.6度，遠高于CBL、SBT等常規(guī)水泥膠結(jié)質(zhì)量評價儀的測量分辨率。

[1] Markley M E, Last N C, Mendoza S M, et al. Case Studies of Casing Deformation Due to Active Stresses in the Andes Cordillera, Colombia[C]//paper 74561 prepared for presentation at the IADC/SPE Drilling Conference held in Dallas, Texas, 26-28 February 2002.

[2] Batakrishna M，Alberto Q. A new monocable circumferential acoustic scanner tool(CAST-M) for cased-hole and openhole applications[C]//paper presented at the 2010 SPWLA 51stAnnual Logging Symposium, 19-23 June 2010, Perth, Western Australia.

[3] Morris C, Sabbagh L. Application of Enhanced Ultrasonic Measurements for Cement and Casing Evaluation[C]//paper SPE 105648 presented at the 2007 SPE/IADC Drilling Conference, 20-22 February 2007, Amsterdam, Netherlands.

[4] 姚桂錦，王克協(xié)，伍先運，等．超聲反射法套管-地層環(huán)空間介質(zhì)波阻抗反演方法與成像實例[J]．地球物理學報，2005，48（4）：959-968．

[5] 閆鑫，王浩，胡文祥．層狀介質(zhì)界面超聲檢測的數(shù)值模擬[J].聲學技術，2007，26（5）：83-84．

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[7] 車小花，喬文孝．用超聲脈沖反射譜評價圓管厚度的實驗研究[J]．聲學技術，2003，22（1）：14-29．

[8] 強毓明，李長文，宋永華，等．多參數(shù)超聲工程測井儀原理與應用[J]．測井技術，2004，28（2）：27-30．

[9] 強毓明，余春昊．多參數(shù)超聲工程測井儀原理與實現(xiàn)[J]．石油天然氣學報，2003，25（z1）：26-27．

[10] 陶愛華，羅瑜林，仇傲，等．變磁阻傳感器在井壁超聲成像測井儀中的應用[J]．石油機械，2009，37（5）：65-67．

[11] 陳洪海，孫志峰，王文梁，等．多功能超聲波成像測井儀套損檢測的實驗研究[J]．測井技術，2012，36（4）：341-344．

Evaluation on Application Effect of Multi-functional Ultrasonic Imaging Logging Tool

SUN Zhifeng, CHEN Honghai, TAO Aihua

（China Oilfeld Services Limited, Beijing 101149, China）

The multi-functional ultrasonic imaging logging tool can be used for casing inspection and cement bonding evaluation by using ultrasonic pulse echo technique. The feld data measured by the MUIL shows that the refection wave will be frstly received by transducer and then is the resonance wave. The character of spectrum trap is visible obviously in frequency spectrum curve of waveform. The casing’s internal conditions can be inspected from the echo amplitude and transit time. The casing thickness and the cement impedance can be calculated from the resonance frequency and resonance decay. It shows that this tool can evaluate the geologic feature information, such as fracture, vug and bedding structure in the opened-hole. Weather the component of material behind casing is gas, liquid or solid can be curtained based on the variable range of cement impedance. The measurement result shows that this tool has the function of borehole imaging, casing inspection and cement bonding evaluation.

ultrasonic pulse echo technique; borehole imaging; casing inspection; cement bonding; acoustic logging

P631.8

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2013.04.057

1008-2336（2013）04-0057-05

國家重大專項“油氣測井重大技術與裝備”項目（2011ZX05020-005）及國家863計劃“隨鉆地層評價關鍵技術和設備研制”（SQ2010AA0920229001）

2013-04-15；改回日期：2013-08-08

孫志峰，男，1979年生，工程師，碩士，2004年畢業(yè)于中國石油大學（北京）地球探測與信息技術專業(yè)，主要從事聲波地球物理勘探的研究工作。E-mail：sunzf@cosl.com.cn。